Abstract

We design and numerically analyze a dynamically tunable, plasmonically induced transparency (PIT) planar hybrid metamaterial (MM) in a near-infrared regime, which combines the near-field coupling effect into dynamic MM. The embedded position of tunable material in dynamic MM is optimized. Thermal-tunable VO2 stripes are filled in the cut-out slots as components of a plasmonic system, which dramatically improve the dynamic modulation depth of the PIT. We also present a four-level plasmonic system to quantitatively analyze the dynamically tunable PIT device. This work may offer a further step in the design of the tunable PIT effect.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
    [CrossRef]
  2. N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
    [CrossRef]
  3. B. Tang, L. Dai, and C. Jiang, Opt. Express 19, 628 (2011).
    [CrossRef]
  4. N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
    [CrossRef]
  5. J. Chen, P. Wang, C. Chen, Y. Lu, H. Ming, and Q. Zhan, Opt. Express 19, 5970 (2011).
    [CrossRef]
  6. H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
    [CrossRef]
  7. H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
    [CrossRef]
  8. R. Singh, A. K. Azda, Q. X. Jia, A. J. Taylor, and H.-T. Chen, Opt. Lett. 36, 1230 (2011).
    [CrossRef]
  9. W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
    [CrossRef]
  10. H. S. Choi, J. S. Ahn, J. H. Jung, and T. W. Noh, Phys. Rev. B 54, 4621 (1996).
    [CrossRef]
  11. Z.-G. Dong, H. Liu, M.-X. Xu, T. Li, S.-M. Wang, J.-X. Cao, S.-N. Zhu, and X. Zhang, Opt. Express 18, 22412 (2010).
    [CrossRef]
  12. X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
    [CrossRef]
  13. M. A. Ordal, L. L. Long, R. J. Bell, S. E. Bell, R. R. Bell, R. W. Alexander, and C. A. Ward, Appl. Opt. 22, 1099 (1983).
    [CrossRef]

2011 (3)

2010 (5)

Z.-G. Dong, H. Liu, M.-X. Xu, T. Li, S.-M. Wang, J.-X. Cao, S.-N. Zhu, and X. Zhang, Opt. Express 18, 22412 (2010).
[CrossRef]

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

2008 (2)

S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[CrossRef]

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

1996 (1)

H. S. Choi, J. S. Ahn, J. H. Jung, and T. W. Noh, Phys. Rev. B 54, 4621 (1996).
[CrossRef]

1983 (1)

Ahn, J. S.

H. S. Choi, J. S. Ahn, J. H. Jung, and T. W. Noh, Phys. Rev. B 54, 4621 (1996).
[CrossRef]

Alexander, R. W.

Averitt, R. D.

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Azad, A. K.

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Azda, A. K.

Bell, R. J.

Bell, R. R.

Bell, S. E.

Cao, J.-X.

Chen, C.

Chen, H.-T.

R. Singh, A. K. Azda, Q. X. Jia, A. J. Taylor, and H.-T. Chen, Opt. Lett. 36, 1230 (2011).
[CrossRef]

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Chen, J.

Choi, H. S.

H. S. Choi, J. S. Ahn, J. H. Jung, and T. W. Noh, Phys. Rev. B 54, 4621 (1996).
[CrossRef]

Dai, L.

Dong, Z.-G.

Eigenthaler, U.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

Fleischhauer, M.

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Genov, D. A.

S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[CrossRef]

Giessen, H.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Hirscher, M.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

Huang, C.

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

Huang, W.

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

Jia, Q. X.

R. Singh, A. K. Azda, Q. X. Jia, A. J. Taylor, and H.-T. Chen, Opt. Lett. 36, 1230 (2011).
[CrossRef]

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

Jiang, C.

Jung, J. H.

H. S. Choi, J. S. Ahn, J. H. Jung, and T. W. Noh, Phys. Rev. B 54, 4621 (1996).
[CrossRef]

Kästel, J.

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Langguth, L.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Li, T.

Liu, H.

Liu, M.

S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[CrossRef]

Liu, N.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Liu, X.

X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
[CrossRef]

Long, L. L.

Lu, Y.

Mesch, M.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

Miao, T.

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

Ming, H.

Noh, T. W.

H. S. Choi, J. S. Ahn, J. H. Jung, and T. W. Noh, Phys. Rev. B 54, 4621 (1996).
[CrossRef]

O’Hara, J. F.

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Ordal, M. A.

Padilla, W. J.

X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
[CrossRef]

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Pfau, T.

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Shrekenhamer, D. B.

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Singh, R.

R. Singh, A. K. Azda, Q. X. Jia, A. J. Taylor, and H.-T. Chen, Opt. Lett. 36, 1230 (2011).
[CrossRef]

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

Sönnichsen, C.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

Starr, A. F.

X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
[CrossRef]

Starr, T.

X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
[CrossRef]

Tang, B.

Taylor, A. J.

R. Singh, A. K. Azda, Q. X. Jia, A. J. Taylor, and H.-T. Chen, Opt. Lett. 36, 1230 (2011).
[CrossRef]

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Trugman, S. A.

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

Wang, P.

Wang, Q.

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

Wang, S.-M.

Wang, Y.

S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[CrossRef]

Ward, C. A.

Weiss, T.

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Xu, M.-X.

Yang, H.

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

Yin, X.

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

Zhan, Q.

Zhang, S.

S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[CrossRef]

Zhang, X.

Z.-G. Dong, H. Liu, M.-X. Xu, T. Li, S.-M. Wang, J.-X. Cao, S.-N. Zhu, and X. Zhang, Opt. Express 18, 22412 (2010).
[CrossRef]

S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[CrossRef]

Zhu, S.-N.

Zhu, Y.

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

Appl. Opt. (1)

Appl. Phys. Lett. (1)

W. Huang, X. Yin, C. Huang, Q. Wang, T. Miao, and Y. Zhu, Appl. Phys. Lett. 96, 261908 (2010).
[CrossRef]

Nano Lett. (1)

N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher, C. Sönnichsen, and H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103 (2010).
[CrossRef]

Nat. Mater. (1)

N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kästel, M. Fleischhauer, T. Pfau, and H. Giessen, Nat. Mater. 8, 758 (2009).
[CrossRef]

Nat. Photonics (1)

H.-T. Chen, J. F. O’Hara, A. K. Azad, A. J. Taylor, R. D. Averitt, D. B. Shrekenhamer, and W. J. Padilla, Nat. Photonics 2, 295 (2008).
[CrossRef]

Opt. Express (3)

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. B (1)

H. S. Choi, J. S. Ahn, J. H. Jung, and T. W. Noh, Phys. Rev. B 54, 4621 (1996).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (3)

X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
[CrossRef]

S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[CrossRef]

H.-T. Chen, H. Yang, R. Singh, J. F. O’Hara, A. K. Azad, S. A. Trugman, Q. X. Jia, and A. J. Taylor, Phys. Rev. Lett. 105, 247402 (2010).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Unit cell of the designed tunable PIT device showing the geometry parameters: P=3.0μm, L=1.4μm, W=0.2μm, D=0.6μm. The coordinate of the inner VO2 strip is C(400,600)nm.

Fig. 2.
Fig. 2.

Simulated reflection spectra achieved by FEM (blue-circled curves) and four-level plasmonic system (red-solid curves) of the tunable PIT device for different temperatures.

Fig. 3.
Fig. 3.

Colormaps and pink arrows, respectively, represent the distributions of the amplitude of the electric fields and induced surface current densities of the top metallic elements at 3.01 μm for (a) T=347K and (b) T=333K.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) Coupled four-level plasmonic system for the tunable PIT device. The pink arrows on the unit cell indicate the near-field coupling between meta-atoms. (b) Extracted simulated coupling and damping parameters as a function of temperature. Values of γ1, γ2, γ3, κ12, and κ23 are extracted by fitting the simulated reflection spectra.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

[ωω01+iγ1κ120κ12ωω02+iγ2κ230κ23ωω03+iγ3][A˜1A˜2A˜3]=[g1E˜00g3E˜0].

Metrics